Anordnung zum Bearbeiten von Werkstücken mit einem Laserstrahl

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bearbeiten, insbesondere zum Schweißen eines Werkstückes mit einem Laser ^¬ strahl . Das Bearbeiten - Bohren, Trennen oder Schweißen - von Werkstücken mit einem Laserstrahl ist mit einer Vielzahl von technischen Vorteilen verbunden, zu denen unter anderem ein gegenüber anderen Bearbeitungsverfahren reduzierter Wärmeeintrag sowie die Möglichkeit zählen, Bearbeitungen an schwer zugäng- liehen Stellen durchführen und insbesondere Schweißnähte mit komplexen Nahtkonturen erzeugen zu können. Schwierigkeiten bereitet jedoch die Bearbeitung hochreflektierender Werkstücke, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium sowie anderer hochreflektierender Materialien in der Elektronik-, Medizin- oder Schmuckindustrie.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Bearbeiten eines Werkstückes mit einem Laserstrahl anzugeben, die insbesondere zum Bearbeiten hochreflektierender Werk- stücke, insbesondere hochreflektierender metallischer Werkstücke geeignet ist.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen umfasst die Anordnung zum Bearbeiten eines

Werkstückes mit einem Laserstrahl, insbesondere zum Bearbeiten eines hochreflektierenden Werkstückes, einen Faserlaser als Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines gepulsten primären Laserstrahls mit einer Bandbreite, die kleiner als lnm ist.

Der Faserlaser erzeugt vorzugsweise einen linearpolarisierten primären Laserstrahl.

Insbesondere ist der Faserlaser ein Single-Mode- oder ein Niedermoden-Faserlaser . In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Faserlaser ein qcw-Faserlaser .

Wenn im Strahlengang des primären Laserstrahls ein Frequenz- vervielfacher-Modul zum Erzeugen wenigstens eines frequenzver- vielfachten sekundären Laserstrahls angeordnet ist, wird die Absorption verbessert und die Bearbeitungsqualität und Repro ^¬ duzierbarkeit bei hochreflektierenden Werkstücken signifikant verbessert . Insbesondere ist im Strahlengang der aus dem Frequenzverviel- facher-Modul austretenden Laserstrahlen ein optisches Abgleichmodul angeordnet, mit dem die Intensität des verbleiben ^¬ den, d.h. im Frequenzvervielfacher-Modul nicht in einen Laser ^¬ strahl mit vervielfachter Frequenz umgewandelten primären Laserstrahls relativ zur Intensität des oder der sekundären

Laserstrahlen einstellbar, um die Gesamt-Strahlungsenergie an die Bearbeitungsgeometrie (z.B. Schweißtiefe) anpassen zu können und insbesondere beim Schweißen die Bildung von Spritzern zu unterdrücken.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Frequenzvervielfacher-Modul ein Zirkularpolarisator nachgeschaltet. Auf diese Weise können Effekte vermieden wer ^¬ den, die durch eine Abhängigkeit der Absorptionseigenschaften des Werkstücks von der Polarisationsrichtung eines linearpola ^¬ risierten Laserstrahls entstehen können.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zum Führen der Laserstrahlen eine oder eine Mehrzahl von Transportfasern vorgesehen, wobei alle Transportfasern einen Kerndurchmesser aufweisen, der größer als 15ym ist. Mit einer solchen Trans- portfaser ist die Einkopplung der Laserstrahlen erleichtert. Außerdem bleibt die Strahlqualität erhalten und es werden nichtlineare Effekte unterdrückt.

Insbesondere umfasst die Anordnung einen Bearbeitungskopf, der eine Kollimatoreinrichtung, eine Ablenkoptik und eine

Fokussieroptik zum Fokussieren des oder der Laserstrahlen auf das Werkstück umfasst.

Vorzugsweise bestehen die im Strahlengang der Laserstrahlen befindlichen optischen Komponenten aus Quarzglas.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einrichtung zum Auskoppeln und Detektieren einer vom Werkstück axial ausgehenden Strahlung vorgesehen.

Hierzu umfasst die feste oder bewegliche Ablenkoptik in einer ersten Ausführungsform einen Umlenkspiegel, der schmalbandig hochreflektierend für den primären und den oder die sekundären Laserstrahlen ist und der für eine vom Werkstück ausgehende Plasma- und Wärmestrahlung durchlässig ist. Alternativ hierzu kann in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform die vom Werkstück axial ausgehende Strahlung über einen faseroptischen Strahlteiler aus einer Transportfaser ausgekoppelt werden.

Wenn die vom Werkstück ausgehende Strahlung in einer Signalverarbeitungseinheit analysiert und auf der Grundlage dieser Analyse Steuersignale zur Steuerung des Bearbeitungsprozesses erzeugt werden, kann die Bearbeitungsqualität kontrolliert und durch Anpassung der zur Bearbeitung benutzten Laserstrahlen signifikant verbessert werden. Bei dieser vom Werkstück ausge ^¬ henden Strahlung kann es sich um reflektierte Laserstrahlung, von der in der Bearbeitungszone ausgehende Wärme- oder von einem in der Bearbeitungszone gebildeten Plasma ausgehende Plasmastrahlung handeln, wobei insbesondere die Form eines

Einzelpulses als auch die Form eines Pulszuges der vom Werk ^¬ stück ausgehenden Strahlung zur Analyse herangezogen werden.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung schematisch dargestellt ist.

Gemäß dieser Figur umfasst die Anordnung einen Faserlaser 1, vorzugsweise ein qcw- oder modulierter cw-Faserlaser mit

Strahlung im nahen Infrarot (l-2ym), der dazu eingerichtet ist, einen in einem Einfachmode (singlemode) oder einem Mehr ^¬ fachmode (multimode) mit niedriger Modenzahl vorliegenden quasikontinuierlichen, bevorzugt linearpolarisierten primären Laserstrahl Li zu erzeugen, der eine Bandbreite aufweist, die kleiner als lnm ist, und dessen Pulsdauer zwischen 10ys und 50ms beträgt. Der Faserlaser 1 kann sowohl im Einzelpulsbetrieb als auch mit einer Pulsfrequenz bis 100kHz betrieben werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist außerdem durch entsprechende Ansteuerung der zum optischen Pumpen verwendeten Pumpdioden eine Formung der vom Faserlaser 1 erzeugten Pulse oder Pulszüge möglich. Die Steuerung des Faserlasers 1 erfolgt mit einer Steuereinheit 2.

Der mit einem gaußförmigen Querschnittsprofil vorliegende primäre Laserstrahl Li wird über eine bevorzugt polarisations- erhaltende erste Transportfaser 3 und eine erste

Kollimieroptik 4 in ein Frequenzvervielfacher-Modul 5

eingekoppelt, das einen zwischen einer Fokussieroptik 6a und einer zweiten Kollimieroptik 6b angeordneten nichtlinearen Kristall 7, beispielsweise KTP oder LBO umfasst. Die Trans ^¬ portfaser 3 ist kurz genug um eine in ihr durch nichtlineare optische Effekte verursachte Erhöhung der Bandbreite weitge ^¬ hend zu vermeiden und diese auf Werte unter lnm zu begrenzen. Bei der ersten Transportfaser 3 handelt es sich vorzugsweise um eine Large-core-singlemode- oder eine Niedermoden-Faser, deren Kerndurchmesser größer als 15μιη ist.

Zur Temperaturstabilisierung des nichtlinearen Kristalls 7 dient eine Thermostateinrichtung 8. Zusätzlich wird mit einer Sensoreinrichtung 9 ein der Intensität des in das Frequenzvervielfacher-Modul 5 eingekoppelten primären Laserstrahls Li entsprechender Messwert gemessen und zur Kontrolle und Steue ^¬ rung des Faserlasers 1 der Steuereinheit 2 zugeführt.

In einer alternativen Ausführung wird das Frequenzvervielfa- cher-Modul 5 ohne Zwischenschaltung einer ersten Transportfa- ser 3 direkt hinter den Ausgang des Faserlasers 1 montiert. Der aus dem Frequenzvervielfacher-Modul 5 austretende Laser ^¬ strahl L setzt sich aus dem verbleibenden (Frequenzvervielfa- chungs-Wirkungsgrad typisch < 50%) primären Laserstrahl Li ^λ mit der Frequenz ω und dem frequenzvervielfachten sekundären La- serstrahl L2 mit den Frequenzen 2ω oder 3ω zusammen. Primärer Laserstrahl Li ^λ und sekundärer Laserstrahl L2 werden über ein optisches Abgleichmodul 10 geleitet, mit dem das Intensitäts ^¬ verhältnis zwischen dem verbliebenen primären Laserstrahl Li ^λ und dem sekundären Laserstrahl L2 eingestellt werden kann. Das hierzu verwendete optische Abgleichmodul 10 ist beispielsweise ein als cut-off-Filter für den verbliebenen primären Laserstrahl Li ^λ dienendes Verlaufsfilter, dessen Durchlässigkeit für den primären Laserstrahl Li ^λ zwischen typisch 10-100% automatisch eingestellt werden kann. Dieses cut-off-Filter lässt zugleich den sekundären Laserstrahl L2 durch. Die vom optischen Abgleichmodul 10 nicht durchgelassene, d.h. reflektierte pri ^¬ märe Laserstrahlung wird in einen Absorber 11 geführt.

In einer alternativen Ausführungsform umfasst das optische Abgleichmodul 10 ein wellenlängenselektives elektrooptisches oder akustooptisches Element, welches einstellbar einen Teil des verbliebenen primären Laserstrahls Li ^λ in den Absorber 11 leitet . Der aus dem optischen Abgleichmodul 10 austretende und aus einem restlichen primären Laserstrahl Li ^{λ λ} und dem sekundären Laserstrahl L2 zusammengesetzten Laserstrahl L wird über einen optischen polarisationsunabhängigen Isolator 13 und eine

Fokussieroptik 14 in eine zu einem Bearbeitungskopf 15 führen- de zweite Transportfaser 16 eingekoppelt und aus dieser in eine im oder am Bearbeitungskopf 15 angeordnete Kollimatoreinrichtung 17, eine erste Strahlformungseinrichtung 18 und einen Zirkularpolarisator (λ/4-Platte) 12 ausgekoppelt.

Der optische Isolator 13 dient dazu, eine vom Werkstück re- flektierte Laserstrahlung, bei der es sich hauptsächlich um reflektierte primäre Laserstrahlung handelt, soweit zu redu ^¬ zieren, dass diese den Betrieb des Faserlasers 1 nicht beein ^¬ trächtigt .

Die zweite Transportfaser 16 ist eine Large-core-singlemode- Faser oder eine Niedermode-Faser, die einen Kerndurchmesser aufweist, der typisch größer als 15ym ist. Die Eigenschaften dieser Transportfaser 16 sind vorzugsweise so gewählt, dass an ihrem Ausgang - insbesondere beim restlichen primären Laserstrahl Lo ^{λ λ} - aus dem ursprünglichen Gauß-Profil ein anderes Strahlprofil, z.B. ein Tophat- oder ein Doughnut-Profil ent ^¬ steht .

In einer alternativen Ausführung bleibt in der Transportfaser 16 das ursprüngliche Strahlprofil erhalten und am Ausgang der zweiten Transportfaser 16 wird mit Hilfe der ersten Strahlformungseinrichtung 18 die Form des Intensitätsprofiles, bei ^¬ spielsweise ein Doughnut-Profil , ein Tophat-Profil oder ein anderes Gauß-Profil eingestellt um eine möglichst homogene Erwärmung der Bearbeitungszone zu gewährleisten.

Mit einer im Bearbeitungskopf 15 angeordneten zweiten Strahlformungseinrichtung 19 kann der Durchmesser des restlichen primären Laserstrahls Li" und des sekundären Laserstrahls L2 verändert werden. Die beiden Strahlformungseinrichtungen 18 und 19 können auch eine Einheit bilden. Der auf diese Weise geformte Laserstrahl L ( Li ^{x x} und L ₂ ) ge ^¬ langt über eine Ablenkoptik 20 zu einer Fokussieroptik 21, die den Laserstrahl L auf einem Werkstück 22 fokussiert. Die Ablenkoptik 20 umfasst sowohl eine Spiegelanordnung zur latera- len Strahlablenkung (parallel zur Werkstückoberfläche) , bei ^¬ spielsweise ein 2D- oder ein 3D-Scanner, oder in einer alternativen, in der Fig. dargestellten Ausführungsform einen wellenlängenselektiven und räumlich selektiven fest eingebauten Umlenkspiegel 23, der einerseits den Laserstrahl L auf das Werkstück 22 leitet und andererseits die beim Laserbearbeiten des Werkstückes 22 auftretenden axialen, d.h. entgegen der Richtung des auf das Werkstück 22 auftreffenden Laserstrahls L von der Schweißstelle ausgehende Strahlung R _a durchlässt. Deren Intensität wird nach Durchtritt durch den wellenlängenselekti- ven und räumlich selektiven Umlenkspiegel 23 mit einem Sensor 24 erfasst. Die räumlich selektive Eigenschaft des Umlenkspie ^¬ gels 23 besteht darin, dass er nur in einem begrenzten Bereich für die Wellenlängen des Laserstrahls L reflektierend ist, während er außerhalb dieses Bereiches durchlässig ist. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Apertur der vom Werkstück 22 ausge ^¬ henden Strahlung R _a grösser ist als die Apertur des Laserstrahls L auf dem Umlenkspiegel 23, so dass er nur in diesem Bereich reflektierend sein muss. Umlenkspiegel 23 und Sensor 24 bilden auf diese Weise eine Einrichtung zum Auskoppeln und Detektieren der vom Werkstück 22 axial ausgehenden Strahlung.

In einem weiteren Sensor 25 wird zusätzlich eine von der Bearbeitungsstelle ausgehendes nichtaxiales optische Strahlung R _na unmittelbar erfasst. Die von den Sensoren 24, 25 erfassten Messsignale werden einer Signalverarbeitungseinheit 26 zuge ^¬ leitet. In der Signalverarbeitungseinheit 26 werden aus den Messsignalen Steuersignale für die den Faserlaser 1 steuernde Steuereinheit 2 generiert.

Alternativ zu der gezeigten Ausführung können die optischen Signale R _a ,na auch zuerst in Lichtleitfasern eingekoppelt und zu der Signalverarbeitungseinheit 26 transportiert werden, in der dann die Sensoren 24, 25 integriert sind.

Mit Hilfe der von den Sensoren 24, 25 erzeugten Messsignale ist es möglich, den Bearbeitungsvorgang zu überwachen und über die Signalverarbeitungseinheit 26 den Bearbeitungsprozess zu steuern .

In einer besonders vorteilhaften Variante umfasst die feste oder bewegliche Ablenkoptik 20 keinen wellenlängenselektiven und räumlich selektiven Umlenkspiegel 23, sodass die von der Bearbeitungsstelle in axialer Richtung ausgehenden Strahlung, wie z.B. die reflektierten Laserstrahlen, die Plasmastrahlung oder die Wärmestrahlung wieder in den Kern und Mantel der Transportfaser 15 eingekoppelt werden. In dieser Ausführungsform wird die vom Werkstück 22 zurückkommende Strahlung mit einem faseroptischen Strahlteiler 27 in der Transportfaser 15 ausgekoppelt und in der Signalverarbeitungseinheit 26 weiter analysiert .

In der Figur ist außerdem ein Monitor 28 veranschaulicht, auf dem ein Puls 29a der der von der Bearbeitungsstelle ausgehenden Strahlung dargestellt ist. Aus der Form eines solchen Pulses 29a kann beispielsweise Information über das dynamische Absorptionsverhalten der Bearbeitungsstelle während der Puls ^¬ dauer abgeleitet werden da die Absorption bei Metallen tempe- raturabhängig ist. Diese Information kann dann zur Steuerung des Bearbeitungsprozesses verwendet werden.

In der Fig. ist außerdem ein Pulszug 29b dargestellt, der ebenfalls auf dem Monitor 28 wiedergegeben werden kann. Aus dem Relativ-Verhalten der Pulse 29a eines solchen Pulszugs 29b können lokale Veränderungen am Werkstück 22 detektiert werden, sei es eine Veränderung der Oberfläche oder auch eine geomet ^¬ rische Veränderung während der Bearbeitung an dem Werkstück. Dies können beispielsweise beim Schweißen Schweißdefekte wie Spritzer auf der Schweißstelle oder auch ungewollte Löcher sein. Diese Analysemöglichkeit hilft umgekehrt auch beim Er ^¬ kennen von erfolgreichem Laserstrahl-Bohren und -Schneiden. In einer anderen Ausführung kann - bei entferntem optischen

Isolator 13 die in die zweite Transportfaser 16 rückgekoppelte Strahlung auch an der laserseitigen Transportfaser 3 oder auch im Faserlaser 1 selbst über faseroptische Strahlteiler abgegriffen werden und der Analyse und Prozesssteuerung zugeführt werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere geeignet zum Laserbearbeiten von Kupfer, Aluminium oder anderen hochreflektierten Materialien in der Elektronik-, Medizin- oder Schmuck- Industrie.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist diese nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.